GaN HEMT特性分析.pdf

学报 C H IN ESE J O U R N A LSE M IC O N D U CT O R S Vol 28Supplement Sep 2007 体 o F 第 28 卷增刊 2007 年 9 月 半导 凹槽栅场板结构的AlGaN GaN HEMT特性分析 陈 辰 2 t陈 堂 胜 任 春 江 薛 舫 时 2 1 南京大学物理系 南京210008 2 单片集成电路和模块国家级重点实验室 南京210016 摘要 研究了无场调制板结构 有场调制板结构但无凹槽栅 结合场调制板结构和凹槽栅工艺三种A GaN GaN HEMT 的动态 I V特性和微波特性 认为场调制板结构和凹槽栅工艺可以有效改善AlGaN GaN HEMT 器件沟 道内电场分布 显著减小电流崩塌现象 提高器件的微波输出功率特性 利用此技术研制的 Imm 栅宽AlGaN GaN HEMT 输出功率大于low 关键词 AlGaN GaN 高电子迁移率晶体管 场板 凹槽栅 动态测试 EEACC 2560S 中图分类号 TN386文献标识码 A文章编号 0253 4177 2007 SO 0407 04 1引言 GaN微波功率器件由于其高输出功率密度 高 工作电压等特点 近年来得到了广泛关注 其作为新 一代微波固态功率器件 具有广阔的应用前景 AlGaN GaN HEMT 异质结界面的强极化场 和大的导带偏移导致产生高密度二维电子气 能够 产生大漏电流 而且增强了栅对电子气的控制能力 提高了器件的跨导 但是由于电流崩塌等现象的影 响 其在高频工作时输出功率受到制约 优异性能不 能得到充分发挥 电流崩塌通常被认为是由于沟道 中电子被器件表面态捕获 并在栅漏间半导体表面 形成一不受控虚栅所致 1 AlGaN GaN HEMT 的 电流崩塌现象可以通过材料结构 器件结构 工艺步 骤等方面来加以抑制 如可以采用SiN钝化 2 1 研究 表明SiN钝化可以有效降低器件表面态密度 3 1 从 而减小由表面态引起的电流崩塌 SiN 钝化虽然抑 制了AlGaN GaN HEMT 的电流崩塌 但同时使得 器件击穿电压明显下降 影响了输出功率 而场板结 构 field plate 的引人可有效补偿SiN 钝化引起的 击穿下降 为补偿场板引人导致的增益降低 可以考 虑采用凹槽栅工艺 4 结合场板结构 对栅下内外沟 道分别调制 降低电场峰值 本文作者研制T 3 种 AlGaN GaN HEMT 1 无场调制板结构 2 有场调制板结构但无凹槽 栅 3 结合场调制板结构和凹槽栅工艺 通过对比 此3 种情况的静态 动态直流特性和微波特性 讨论 了场调制板结构和凹槽栅工艺对 AIGaN GaN HEMT 器件性能的影响 2器件结构与工艺 图1 给出了3 种结构的AlGaN GaN HEMT 示意图 器件研制中采用的AlGaN GaN 异质结材 料为金属有机化合物气相淀积技术在半绝缘的Sic Undoped GaN Undoped AlGaN A IN Undoped GaN Semi insulatingSiC Undoped GaN Undoped AIGaN A IN Undoped GaN Semi insulatingSiC N i A G UndopedGaN Undoped AlGaN Undoped GaN Semi insulating SiC 图1凹槽栅场板结构AlGaN GaN HEMT示惫图 a 无场调制板结构 b 有场调制板结构但无凹槽栅 c 结合场调 制板结构和凹槽栅工艺 Fig 1Schematic of recessed gate AlGaN GaN HEMT with field modulating plate a Non recessed HEMT without FP HEMT b Non recessed FP HEMT c Recessed FP HEMT t 通信作者 Email chencSS 2006 11 16 收到 2007 中国电子学会 半导体学报第 28 卷 衬底外延得到 该外延结构包括AIN 成核层 GaN 缓冲层 AIN 隔离层 AIGaN 势垒层和GaN 帽层 各层均未掺杂 AIGaN 势垒层中Al 的摩尔含量为 0 25 AlGaN GaN HEMT 器件工艺中首先是源漏 欧姆接触制作 采用电子束蒸发Ti Al Ni Au 多层 金属 接触电阻为 0 40 mm 器件隔离采用硼离 子注人实现 隔离方块电阻大于101 1S 2 口 同 相应的器件最大跨导gm由216mS mm 提高到 了325mS mm 跨导增大将直接改善器件频率特 性 提高器件增益 因此使用凹槽栅工艺 可以让栅 电极靠近沟道 提升栅的控制能力 提高夹断电压 提高跨导 抑制电流崩塌 3 2动态I V 特性测试 3实验结果与讨论 3 1静态直流特性 图2 a 和 b 为未采用和采用凹槽栅结构Al GaN GaN HEMT 的直流 I V 特性 测试中所采用 的 器件栅宽为l00K m 未采用凹槽栅器件在栅偏置 VG S 十 2V 时最大电流 I 为123mA 而采用凹槽 栅器件在 VG S 2V 时最大电流 Im ax为 130mA 考虑到材料和工艺的不均匀性 可以认为两者最大 电流近似相等 但是此两种器件的夹断电压明显不 本文利用 Accent 公司生产的DIVA D265 型 脉冲响应测试系统 通过漏信号对栅脉冲信号的动 态响应来研究器件的电流崩塌 5 1 动态 脉冲 测试 首先要选择一个静态的偏置工作点 VG Q VD 0 脉 冲响应测试系统以此工作点为初始点 通过分别在 栅极和漏极再加上一个同步短脉冲 VG P VD P 此 时 VG S VG Q VG Pf VD S VD Q VD P 脉冲之后 Vcs和 VD S随即回到初始点 VG Q VD Q 如图3 所 示 此时对漏上的电流进行扫描取样便得到器件的 动态 I V 特性 当脉宽小于表面电子陷阱的充放电 时间 外沟道来不及打开 就会观察到电流崩塌现 象 运用这一方法可以方便地对制作器件的电流崩 塌特性进行比较测试 一V C S b 一井 r 一 下万丁 日 日 之 气 心 246810 V D S V 图2AlGaN GaN HEMT 直流 I V 特性 a 未采用凹槽栅 b 采用凹槽栅 Fig 2I V characteristics of AlGaN GaN HEMT a Non recessed HEMT b Recessed FP HEMT 口 匕 口 u 水 u yn am ic t vI 刀 了 了 一 n U n 八 曰 们 n U n C 目 n U n 日 0 0 0 U 4 山 0 0 0 6 4 代 乏 5 0 1V D S V D Q V D P V I IQ AIGaN GaN Quiescent bias point 00 6 寸代尸寸七3 1 0 1 2 肯丫亩 0 VD sN 图3动态 I V 测试示意图 Fig 3Sketch of dynamic I V measurements 增刊陈辰等 凹槽栅场板结构的AlGaN GaN HEMT 特性分析 在AIGaN GaN HEMT 中 栅电极下的沟道 内 沟道 直接受栅压控制 而栅一 漏电极间的沟道 外沟 道 则要受到虚栅制约 习 因此 这两部分沟道中的 电子气密度及电场分布是各不相同的 内外沟道交 界处的电场可达到 MV cm 量级 沟道中热电子很 容易被激发到高激发态而隧穿到表面态 虚栅沟道 表面俘获电子以后使沟道部分夹断 当栅下沟道打 开时 虚栅下沟道不能及时打开 产生电流崩塌 图 4 比较 了 3 种 不 同结 构 AIGaN GaN HEMT 由动态 I V 测试的I V S 2V 与漏 上静态偏置电压 V o 的关系 途中纵轴为 I V Q I 二 VD Q o v 结果表明没有采用场板的器件 I 随漏上偏置电压提高明显持续下降 即器件电 流崩塌随着偏置电压提高而变得更加严重 而采用 场板后 器件 I二在 VD Q 0 15V 范围内下降幅度 姿 j o l 吕 1 目 挂 o u j 图5所示的 是静态工作点的栅偏置取在 VG Q 一 4V 器件夹断 时 不同初始漏压下的 I V 特性对 图6静态工作点 VG Q VD Q 4V IOV 时不同脉宽条件 下动态 I V 特性 Fig 6Quiescent bias V D VD Q 一 4V 1O V dynamic I V characteristics at different pulse widths 半导体学报第 28 卷 3 3微波特性 测试了 3 种不同结构的 lmm 栅宽 AlGaN GaN HEMT 微波功率特性 图7 为频率为8GHz时 输出功率与输人功率的关系曲线 具有凹槽栅场板结 构的器件如前所述较好地抑制了器件的电流崩塌 保 证了器件在射频工作时的源漏电流 使得输出功率增 长 而其他两种结构的器件由于表现出了较大程度的 电流崩塌 器件在射频工作时的电流摆幅被压缩 故 表现了 不同程度的 功率崩塌 当Pi 为31 94dBm时 输出功率40 04dBm 输出功率密度10 1W mm 功 率增益8 1dB 功率附加效率为45 器件静态直流参数 动态直流参数 微波特性的对比 测试 验证了凹槽栅工艺结合场板结构 通过对内外 沟道电场的分别调制 可以有效地抑制器件的电流 崩塌现象 从而提高器件的微波功率特性 采用此技 术研制的lmm栅宽器件的输出功率 Po u 10W 致谢本项工作得到李忠辉博士 焦刚高工 钟世 昌 董逊 李肖等同志的大力帮助 在此表示诚挚感 谢 参考文献 飞 J 门 1 1 C 广 L 一 L Recessed FP HEMT 一 Non recessed FP HEMT 一 Non recessed HEMT without FP J 刁 八 J 4 I L 厂 L 曲产净 军 f 二 l 1 杏 一 落 n U O 八 乙 U 4 一 门 j 日 山 勺 盯 内 n U 八 R 内 乙 r L U 洲 1 山 4伟 J 图7 输 出 功 率 与 输 人 功 率 的 关 系 5 Fig 7Dependence of output power on input power 4结论 6 本文通过对不同结构的AlGaN GaN HEMT Vetury R Zhang N Q Keller S et al The impact of surface states on the DC a ndR F characteristics of AIGaN G aN H FET IEEE Trans Electron Devices 2001 48 3 560 Green B M Chu K K C humbes E M et al The effect of sur face passivation on the microwave characteristics of undoped AlGaN GaN HEMTs IEEE Electron Device Lett 即00 21 6 268 Vertiatchikh A V Eastman L F Schaff W J et al Effective of surface passivation of AIGaN GaN heterostructure field effect transistor Electron Lett 2002 38 8 388 Okamoto Y Ando Y Nakayawa T et al High power re cessed gate AlGaN GaN HFET with a field modulating plate IEEE Tran Electron Devices 2004 51 12 2217 Binari S C Roussos J A Roussos J A Trapping effects and microwave power performance in AIGaN GaN HEMTs IEEE Trans E lectron Devices 2001 48 3 456 Karmalkar S Shur M S Simin G et al Field plate engineer ing for HFETs IEEE Trans Electron Devices 2005 52 12 2 53 4 Characteristic of the Recessed Gate AlGaN GaN HEMT with a Field Plate Chen Chen z t Chen Tangshengz Ren Chunjiang2 and Xue FangshiZ 1 Department of Physics Nanjing University Nanjing210008 China 2 National Key Laboratory of Monolithic Integrated Circuits and Modules Nanjing210016 China Abstract Three kinds of AlGaN GaN HEMTs have been fabricated a non recessed HEMT without FP HEMT b non